Amerikaanse wetenschappers hebben een techniek ontwikkeld om solidstate-lithiumaccu's langer te laten meegaan. De onderzoekers hebben een speciale nanocoating ontwikkeld om te voorkomen dat het elektrolyt door het energiedichte lithium wordt aangetast.
De wetenschappers van de Columbia University School of Engineering zetten uiteen dat ze een boornitridecoating als grensvlak hebben ontwikkeld om het vaste elektrolyt van lithiummetaalaccu's te beschermen tegen lithiummetaal. Dit moet uiteindelijk leiden tot solidstateaccu's met een relatief hoge energiedichtheid, lange levensduur en hoge veiligheid. De onderzoekers zien dit als een belangrijk type accu voor de 'volgende generatie energieopslag', waarbij het bijvoorbeeld gaat om elektrische auto's.
Lithiummetaal als vervanger van het in de anodes van lithium-ionaccu's gebruikte grafiet kan een bijna tien keer zo hoge energielading leveren, maar tijdens het laadproces in een cel kan lithiummetaal worden afgezet rond de anode. Dit proces heet lithium plating. Op den duur leidt dit tot problemen, omdat tijdens dit proces vaak dendrieten worden gevormd. Dit zijn kristalstructuren die tussen de anode en kathode groeien, en kortsluiting en hitteontwikkeling kunnen veroorzaken, waardoor zelfs brand kan ontstaan.
Dit risico weten de wetenschappers naar eigen zeggen in te dammen door allereerst vast, keramisch elektrolyt te gebruiken, omdat dit van nature al beter de vorming van dendrieten kan beperken dan het vloeibare elektrolyt in lithium-ionaccu's. Bovendien is dit vaste elektrolyt van nature niet brandgevaarlijk, wat het een stuk veiliger maakt dan het brandgevaarlijke elektrolyt in lithium-ionaccu's.
Dan is er nog het probleem van de instabiliteit door het lithium, in de vorm van corrosie. Om de instabiele, vaste elektrolyten bruikbaar te maken voor alledaagse toepassingen, moet een stabiel grensvlak worden toegepast dat niet alleen elektronisch isolerend is, maar ook de lithiumionen kan blijven geleiden. Bovendien moet het grensvlak zeer dun zijn om de energiecapaciteit van de accu's niet te beperken.
Volgens de onderzoekers is een nanocoating van boornitride van 5 tot 10nm de oplossing. Dit is de zeer dunne, beschermende laag die het lithiummetaal en het ionengeleidende vaste elektrolyt elektrisch scheidt. Boornitride is volgens de wetenschappers gekozen als beschermingslaag omdat het chemisch en mechanisch stabiel is met lithiummetaal. Het boornitride is bewust met intrinsieke oneffenheden ontworpen om lithiumionen door te kunnen laten. De onderzoekers omschrijven het als een 'kogelvrij vest' waarmee een lange levensduur van lithiummetaalaccu's mogelijk is.
De onderzoekers zien lithiummetaal als onmisbaar om de energiedichtheid in accu's te verhogen. Ze breiden momenteel hun methode uit naar een brede categorie van instabiele vaste elektrolyten om het grensvlak verder te optimaliseren. De wetenschappers verwachten dat met hun methode solidstateaccu's met hoge prestaties en lange levensduur zijn te maken.
Het onderzoek is verschenen in het tijdschrift Joule onder de titel Stabilizing Solid Electrolyte-Anode Interface in Li-Metal Batteries by Boron Nitride-Based Nanocomposite Coating.